集成金属人工结构偏振的新型近红外探测器及其光电耦合机理

The international academic research foucs on establishing subwavelength metal artificial structure to increase the photoelectric coupling of the infrared detector recently.Near-infrared (NIR) polarization detection has large potential and application prospects in remote sensing fields. According to the unique spectral and polarization properties of NIR detection object, and the excellent photoelectric properties of InGaAs detector, a novel structure device integrated monolithically with metal artificial structure is proposed in this project. The project will study NIR polarization properties of the device using strict coupled wave theory, and establish equivalent physical model based on different structure parameters of the sub-wavelength metal artificial structure. Its photoelectric coupling mechanism will be investigated to provide a theoretical basis for designing and optimizing integrated device structure. Then, key technologies of the new type NIR InGaAs detector using monolithically integrated sub-wavelength metal artificial structure, and interface properties of the grating and detector will be studied. Finally, the project will realize stable and matched coupling of the sub-wavelength metal artificial structure and detector, and obtain monolithic integration technology and prototype device for the first time in our country. Execution of this research project will lay good device physics and technical foundation for the development of NIR polarization detector of our country.

人工亚波长金属微结构增强红外探测器的光电耦合是国内外研究的热点。近红外偏振探测在空间探测领域具有巨大应用前景。本项目基于近红外探测目标的独特光谱特性和偏振特性，以及铟镓砷（InGaAs）探测器在近红外波段优异的光电性能，创新性的提出了一种亚波长金属人工结构单片集成的近红外InGaAs探测器新结构。采用严格耦合波理论，研究亚波长金属人工结构的近红外偏振特性；构建集成微偏振光栅器件的物理模型，结合不同的光栅结构参数，揭示亚波长金属人工结构和近红外InGaAs探测器集成的光电耦合机理，为偏振探测器结构设计与优化提供理论基础；开展亚波长金属人工结构和近红外InGaAs探测器片上集成的关键技术基础研究，弄清亚波长金属人工结构和探测器集成的界面微观特性，实现亚波长金属人工结构和近红外InGaAs探测器的工艺兼容方法的集成创新，获得近红外偏振原型探测器，为我国近红外偏振成像关键元器

近红外偏振探测在空间探测领域具有巨大应用前景。本项目基于近红外探测目标的独特光谱特性和偏振特性，以及铟镓砷（InGaAs）探测器在近红外波段优异的光电性能，创新性的提出了一种亚波长金属人工结构单片集成的近红外InGaAs探测器新结构，从理论模拟分析、偏振特性调控、兼容性工艺、偏振性能测试等方面展开了研究。在理论方面采用时域差分法（FDTD）完成了在近红外波段具有宽谱透过特性的亚波长金属人工结构的建模与分析，通过对光栅材料的选择以及对周期、厚度、占空比等结构参数的设定，明确了近红外入射光波TE偏振和TM偏振的变化规律，获得了亚微米尺度周期性一维金属结构激发的表面等离子体波与近红外波段入射光波耦合作用的规律性，明确了亚波长金属人工结构的优化参数。将亚波长金属人工结构与InGaAs器件结构设计相结合，研究了金属人工结构和探测器之间的光学传输，明确了谱段适应性、远场分布等性能，揭示了亚波长金属人工结构和InGaAs探测器耦合后的偏振光学特性。开展了亚波长金属人工结构和近红外InGaAs探测器片上集成的关键技术基础研究，弄清了亚波长金属人工结构和探测器集成的界面微观特性，实现了亚波长金属人工结构和近红外InGaAs探测器的工艺兼容方法的集成创新，获得了近红外偏振原型探测器，对制备得到的原型器件的实测结果验证了亚波长金属人工结构设计的有效性。集成金属人工结构的InGaAs探测器原型器件实现了四方向线偏振结构，实测其性能，消光比大于25，器件的峰值探测率优于1E12cmHz^1/2/W。该探测器新结构及其工艺新方法和光电耦合机理的基础研究，为我国近红外偏振成像关键元器件奠定了理论与技术基础。